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標桿之作！北京交大Scripta Mater.：疲勞性能原位多尺度研究！

2020-04-13 來源：Goal Science

        先進貝氏體鋼具有優異的強韌性，在鐵路交通等領域具有廣泛的應用前景。在循環交變載荷工況下，疲勞性能，尤其是高周疲勞行為，對于確保結構件的長期安全服役具有重要意義。疲勞性能和微觀組織密切相關，研究發現貝氏體鋼中貝氏體板條塊（bainitic block）的尺寸和晶體學特征強烈影響疲勞裂紋的擴展。而關于殘余奧氏體對疲勞行為的微觀研究卻鮮有報道，一方面殘余奧氏體在循環加載過程中可能發生馬氏體轉變，其影響相對復雜；另一方面對于殘余奧氏體在疲勞裂紋萌生和擴展過程中的局部演化，微觀表征難度很大。作為先進高強鋼組織設計的關鍵，如何深入研究殘余奧氏體的影響將關乎高強鋼在未來的應用前景！

        近日，北京交通大學高古輝團隊設計了巧妙的實驗方法，采用多尺度表征手段揭示了疲勞裂紋尖端殘余奧氏體的局部演化過程，闡明了殘余奧氏體形貌（膜狀和塊狀）對亞表面疲勞裂紋萌生和初期擴展的影響。研究人員以無碳化物貝氏體鋼為研究對象，首先用SEM和三維共聚焦表面形貌儀（confocal microscope phase shift microXAM-3D）對高周疲勞失效樣品的疲勞斷口表面進行初步表征，在此基礎上用聚焦離子束（FIB）技術找到裂紋前端的微觀區域，隨后用TEM和EBSD進行進一步的精細表征。此研究方法和表征手段為后續研究微觀組織和裂紋擴展的關系提供了樣板，相關成果發表在期刊Scripta Materialia，題目為“Role of retained austenite with different morphologies on sub-surface fatigue crack initiation in advanced bainitic steels”。

無碳化物貝氏體鋼在疲勞測試前的組織表征 (a) SEM; (b) TEM; (c) 奧氏體IPF圖

        研究人員發現在裂紋正前端的膜狀殘余奧氏體發生了馬氏體轉變，且裂紋前端的塑性變形區被限制在了幾百納米的范圍。膜狀的新生馬氏體雖然位錯密度很高，但是并不脆，因此可以阻止裂紋的擴展，起到類似鈍化裂紋的作用。

疲勞斷口表面 (a) 和疲勞裂紋萌生區域膜狀奧氏體的組織演變 (b-h)，(i) 為膜狀奧氏體在裂紋萌生過程中的作用示意圖。

        原奧晶界附近的塊狀殘余奧氏體沒有發生馬氏體轉變，且其存在會導致疲勞裂紋沿晶界萌生，發生所謂的沿晶疲勞開裂。研究人員進一步對裂紋表面的micro-facet進行位向表征，推測沿晶裂紋的萌生遵循解理斷裂模式。

疲勞斷口表面 (a) 和疲勞裂紋萌生區域塊狀奧氏體的組織演變 (b-h)

        本研究采用FIB技術，巧妙且精確地捕獲了裂紋尖端的微觀區域，多尺度表征了不同形貌殘余奧氏體的局部演化，可以說是疲勞行為微觀研究的標桿！精工細作，實屬不易！

 

原文鏈接：

 

（1）團隊介紹:

        北京交通大學軌道交通金屬材料研究所，主要從事鐵路用先進鋼鐵材料的研究，長期專注于先進貝氏體鋼的成分、工藝、組織設計，先進鋼鐵材料的強韌化、疲勞、磨損、延遲斷裂等機理研究。近年來，研發的貝氏體鋼軌、貝氏體車輪、高性能車軸鋼、軸承鋼、齒輪鋼、貝氏體鋼筋、鑿巖釬桿等已經在鐵路、車輛、隧道、橋梁等領域得到推廣應用，推動了我國鐵路行業的技術進步。團隊擁有中國工程院院士1名，特聘教授1名，專職研究人員7名，在讀研究生31名。先后獲得國家重點研發計劃、國家自然科學基金、北京市自然科學基金等項目的資助。團隊在Acta Materialia、Scripta Materialia、Materials Science & Engineering A、International Journal of Fatigue、金屬學報等國內外重要學術期刊上發表論文50余篇。研究成果獲2018年冶金科技進步二等獎（第一單位）。


（2）團隊在該領域的工作成果匯總:

        本團隊在先進貝氏體鋼的疲勞行為研究領域，提出了新型的BQ&P熱處理工藝精細調控貝氏體鋼中顯微組織（Acta Materialia 76 (2014) 425–433, Acta Materialia 101 (2015) 31–39），系統研究了貝氏體類型（Materials Science & Engineering A 630 (2015) 1–7）、殘余奧氏體形態（International Journal of Fatigue 92 (2016) 203–210, Scripta Materialia 184 (2020) 12–18）、組織細化、均勻化（Materials Science & Engineering A 650 (2016) 438–444）等顯微組織特征對貝氏體鋼疲勞性能的影響。發現了顯微組織和微觀缺陷（如非金屬夾雜物）對貝氏體鋼疲勞行為、特別是疲勞裂紋萌生過程具有競爭影響（International Journal of Fatigue 33 (2011) 500–506, Materials Science & Engineering A 739 (2019) 404–414），提出了協同改善化學冶金和物理冶金的手段改善貝氏體鋼疲勞性能的思想，為綠色節能的精品鋼鐵產品生產和應用提供了理論指導。本團隊正在開展高周和超高周疲勞階段貝氏體鋼亞表層疲勞裂紋萌生機制，顯微組織與微觀缺陷對疲勞裂紋萌生的競爭影響機制的相關研究，旨在延長關鍵零部件的服役壽命、提升服役安全性。

 

（3）團隊相關優質文章推薦:

[1]. Guhui Gao, Han Zhang, Xiaolu Gui, et al. Enhanced ductility and toughness in an ultrahigh-strength Mn–Si–Cr–C steel: The great potential of ultrafine filmy retained austenite, Acta Materialia 76 (2014) 425-433.

[2]. Guhui Gao, Baoxiang Zhang, Cheng Cheng, et al. Very high cycle fatigue behaviors of bainite/martensite multiphase steel treated by quenching-partitioning-tempering process, International Journal of Fatigue, 92 (2016) 203-210.

[3]. Guhui Gao, Qingzhen Xu, Haoran Guo, et al. Effect of inclusion and microstructure on the very high cycle fatigue behaviors of high strength bainite/martensite multiphase steels, Materials Science & Engineering A 739 (2019) 404-414.